Микроскоп главы шифровальной службы

Всякое полезное изобретение представляет собой сокровище, принадлежащее всему человечеству, а не его изобретателю, который был бы не прав, претендуя на исключительное право владения им.

Ф.У.Т. Эпинус

Наверное, мы так и не узнаем, как выглядел Франц Ульрих Теодосиус Эпинус (1724—1802), российский академик, член нескольких европейских академий, более тридцати лет возглавлявший шифровальную службу Коллегии иностранных дел Российской империи. Видимо, он зашифровался настолько, что не сохранилось ни одного портрета или карандашного наброска с его изображением. Множество лже-Эпинусов, но настоящих — ни одного. Тем не менее его имя навсегда вписано в историю науки и техники благодаря его классическим работам по электричеству и ахроматическому микроскопу, конструкцию которого он придумал. «Мой новый микроскоп если и не заставит немедленно отказаться и забыть все те, которые существуют в настоящее время, то спустя немного лет нельзя будет найти никого, кто бы пользовался иными микроскопами, чем изобретенный мною». Франц Эпинус был прав, но, к сожалению, не дожил до этого триумфа. Путь нового микроскопа в науку оказался отнюдь не прямым и совсем не коротким.

Классик науки

Жизнь Эпинуса с ее неожиданными крутыми поворотами вполне могла бы стать сюжетом для увлекательного авантюрного романа. Как писал В.К.Новик в «Краткой биографической хронике», требуется обширный экскурс в историю естественных наук и самой Академии наук, в историю шифровального дела, российской дипломатии и разведки, в историю и методологию народного образования, в историю царского двора и даже в историю Реформации, чтобы всесторонне изучить деятельность этого человека.

Франц Эпинус родился 13 декабря (по старому стилю) 1724 года в Германии, в Ростоке маркграфства Мекленбург, и был пятым, последним ребенком в семье профессора-теолога Ростокского университета Франца Альберта Эпинуса (1673—1750). Семья была большая, дружная, с традициями, с огромной библиотекой, с домашними музыкальными вечерами. Разумеется, молодой человек получил хорошее классическое образование, начиная с лучших домашних учителей и заканчивая философским и медицинским (естественнонаучным) курсами в Ростокском и Йенском университетах. В результате к 24 годам — степень доктора философии, доктора медицины и ученое звание магистра, дающее право преподавать. Кроме того, выработались привычка к бесконечному и неустанному труду для получения новых знаний, умение формировать и отстаивать свою точку зрения, что, несомненно, пригодилось в дальнейшем.

К тридцати годам Франц Эпинус — член Королевской прусской академии наук, где получает под свое начало Берлинскую обсерваторию, одну из лучших в то время обсерваторий мира. А через два года, в 1757-м, благодаря рекомендациям Леонарда Эйлера, С.Котельникова и С.Румовского, его принимают в Санкт- Петербургскую академию наук на место академика Г.В.Рихмана, погибшего во время исторического эксперимента по установлению электрической природы молнии.

В России Ф.Эпинус продолжает много и плодотворно работать в различных областях физики и астрономии. По наследству от Рихмана ему достались научные проблемы, связанные с электричеством. В 1757—1759 годах он открывает пироэлектрические явления в кристалле турмалина — возникновение электрического поля в кристаллах при изменении температуры, устанавливает факт поляризации веществ в электрическом поле, изготовляет первый электрофор и плоский конденсатор со стеклянной пластиной и показывает, от каких параметров зависит его электрическая емкость. О том, что нагретые кристаллы турмалина притягивают частицы пепла и соломинки, пытливые умы знали еще в доисторические времена. Теперь этот наблюдаемый факт получил объяснение. Сегодня мы знаем, что турмалин — классический диэлектрик, способный самопроизвольно поляризоваться при нагреве. Изменение температуры всего лишь на один градус порождает в кристалле электрическое поле с напряженностью 400 В/см. Но тогда, в середине XVIII века, это было открытием.

В те же годы Эпинус впервые экспериментально и математически исследует силовые линии магнитного поля. Изучая силы взаимодействия между зарядами, он предположил, что их величина зависит от расстояния по закону обратных квадратов. Плодотворная гипотеза Эпинуса дала верное направление исследованиям в этой области, которые более чем через двадцать лет (1784) завершил Шарль Кулон. Его знаменитый закон «сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними» сегодня известен каждому школьнику из курса физики.

Свои фундаментальные исследования по электричеству и магнетизму Ф.Эпинус оформил в вид трактата «Опыт теории электричества и магнетизма», который вышел в свет в 1759 году, а дискуссия по поводу пироэлектричества и свойств турмалина заняла свое место на страницах «Сборника различных мемуаров о турмалине», выпущенного в 1762-м. Ни одна из работ Санкт-Петербургской академии наук середины XVIII века, кроме работ Л.Эйлера, не имела такого могучего резонанса, и общее признание поставило Эпинуса в ряд «классиков науки».

В эти же годы меняется окружение ученого: его представляют великой княгине Екатерине Алексеевне, с которой у него завязывается многолетняя дружба. Она не прекратилась и после восхождения ее на престол в 1762 году.

Дружба и госслужба

Незаурядные личности притягиваются друг к другу, и вскоре Эпинус стал учителем Екатерины Алексеевны по классу физики и математики, был приближен ко двору, что сыграло не последнюю роль в поворотах его карьеры. В 1760 году параллельно со службой в Академии его назначают обер-профессором (главным инспектором классов) Сухопутного шляхетского кадетского корпуса. «Именно в эти годы работы в элитарном учебном заведении с широким социальным спектром воспитанников ему удалось найти методы обучения, эффективные в условиях России второй половины XVIII века», — пишет В.К.Новик. Этот ценнейший педагогический опыт позволил Эпинусу впоследствии подготовить план введения в России государственной системы народного просвещения, которая долгое время оставалась одной из лучших в мире.

Тем временем Эпинус получил еще одного августейшего ученика — 12 февраля 1765 года выходит указ Екатерины II: «…профессора Эпинуса разсудили мы <…> употребить при учении великого князя Павла Петровича». Эпинус умел ладить с людьми, нашел он подход и к наследнику престола. Он читал ему лекции по физике, астрономии и анатомии с различной степень углубленности в предметы вплоть до двадцатипятилетия Павла. А потом знакомил с основами естествознания и вторую супругу Павла Петровича — Марию Федоровну. Начальный курс этих лекций Эпинус поместил в единый рукописный том с многочисленными красочными иллюстрациями, озаглавив его «De la Physique». Павел всегда относился к своему учителю с глубочайшим почтением, даже после восшествия на престол.

Но создается впечатление, что упомянутый выше указ был своего рода дымовой завесой, маскирующей следующий «секретный» указ от 22 марта того же года о зачислении Франца Эпинуса в Коллегию иностранных дел и его назначении главой шифровальной службы Российской империи. В этой беспокойной должности Эпинус проработал почти тридцать три года, до своей добровольной отставки в 1797 году.

Почему выбор пал на Эпинуса? Конечно, дружба с Екатериной, несомненная личная преданность ей и вообще глубокая, истинно протестантская порядочность сыграли здесь большую, но не определяющую роль. Дело в том, что тогда в ходу были цифровые шифры, для работы с ними надо было быть «изрядным» математиком, таким, как знаменитый К.Гольдбах, предшественник Эпинуса на посту главы шифровальной службы. Кроме того, требовалось в совершенстве знать русский, французский и немецкий языки, на которых шла большая часть корреспонденции, менее распространенные английский, испанский и итальянский, а также латынь и греческий, которые иногда использовали дипломаты для введения в заблуждение дешифровщиков. Еще одна деталь: на эту должность предпочитали назначать неженатого человека — уже в те времена знали главный канал утечки секретной информации.

Работа главы шифровальной службы была сродни научной. Вот что ответил Эпинус на недовольство Екатерины задержкой в расшифровке неких документов: «Эта работа требует: А) Вдохновения на разгадку. Из этого следует, что далеко не все дни и часы являются таковыми, а лишь те, когда, как говорят, ты настроен и воодушевлен. Если ты хочешь в отсутствие такого настроения (а как часто оно отсутствует!) насильно чего-нибудь добиться, но работаешь безуспешно, теряешь уверенность в себе и приобретаешь отвращение к делу. И тогда всякая надежда хоть чего-нибудь достичь оказывается тщетной. Б) Очень напряженной работы мысли. И если ты плодотворно, смотря по обстоятельствам, использовал два, три, максимум четыре часа из двадцати четырех — остальная часть дня потеряна. Силы ума исчерпаны, его острота притупилась, и человек не способен ни к этой, ни к какой иной работе».

Двадцать четыре часа упомянуты не для красного словца — шифровальная служба работала круглосуточно. Шифровали тогда почти все, и надо было разрабатывать и постоянно обновлять шифры для правительства, посольств за рубежом, армии, флота и лично для Екатерины. Еще больше сил отнимала дешифровка, ведь перлюстрировалась вся корреспонденция, идущая за границу и оттуда, включая дипломатическую почту, вне зависимости от положения автора письма и адресата. Это правило не знало исключений, К.Гольдбах расшифровывал послания будущей императрицы Екатерины, затем уже Эпинус по ее приказу скрупулезно изучал письма Павла.

Но в другой своей ипостаси — любящего наставника — Эпинус составлял секретные шифры для самого Павла, например для переписки с супругой во время отъезда наследника в Финляндию в период очередной войны со Швецией в 1788—1790 годах. Чтобы ввести в заблуждение дешифровщиков, Эпинус отказался от цифрового кода и использовал набор вполне обыденных фраз, несущих условленный смысл. Наиболее тонко классифицировалось состояние здоровья и настроение матушки-императрицы, для этого были заготовлены семнадцать кодовых фраз.

Можно только поражаться и восхищаться тем, что наряду со всеми этими занятиями Эпинус находил время для научных изысканий и публикации работ по широкому кругу вопросов. Последней его научной вершиной стал телескопический микроскоп с ахроматическим объективом.

Микроскоп без недостатков

Почему вдруг Эпинус занялся изобретением микроскопа? Микроскоп — это удивительное устройство, дающее возможность увидеть тот мир, в котором мы никогда не сможем оказаться. Он появляется на рубеже XVI и XVII столетий, но период его необыкновенной популярности приходится на XVIII век. В это время микроскоп окончательно переходит из разряда «прибора для увеселения души и глаз» в лаборатории ученых. Основные требования, которые предъявляли к нему, — это хорошее увеличение и чистое, четкое изображение рассматриваемого объекта. Как оказалось, эти требования входили в противоречие: для большего увеличения вводили дополнительные линзы в объективы и окуляры, а это приводило к искажению изображения — искривлению прямых линий и появлению радужных разводов.

К

Так выглядит ахроматический микроскоп Франца Эпинуса, изобретенный им в 1784 году. Этот единственный в мире экземпляр находится в коллекции микроскопов Политехнического музея в Москве

В оптике это явление носит название хроматической аберрации, или паразитной дисперсии света. Оно возникает из-за того, что показатель преломления зависит от длины световой волны (от цвета). Это, в свою очередь, приводит к тому, что фокусное расстояние линзы, напрямую связанное с показателем преломления, также зависит от длины волны — изображение в линзе, образуемое лучами красного цвета, располагается дальше от центра, чем «синее» изображение. А в целом при использовании белого света получается размытое, радужное изображение. Над устранением этого недостатка бились, начиная с середины XVIII века, такие специалисты по оптике, как Иван Беляев, Леонард Эйлер и Джон Доллонд. Однако лучшую конструкцию, как показало время, предложил все же Франц Эпинус.

В истории науки микроскоп Эпинуса занимает особое место, поскольку он был создан не эмпирическим подбором линз, а на основании строгого математического расчета. Объектив представлял собой сложную систему из трех выпукло-вогнутых линз, изготовленных из различных сортов оптического стекла — из легкого крона и тяжелого флинта, в комбинации крон-флинт-крон. К счастью, в Швейцарии к тому времени уже научились варить тяжелые стекла (флинт) с высоким показателем преломления и низкой дисперсией, в состав которых входил не только кремнезем, но оксид калия и свинца. А легкие кроны, натриево-силикатные стекла с низким показателем преломления и высокой дисперсией, умели варить уже давно. Но оптимальное соотношение компонентов в этих стеклах, делающих их пригодными для ахроматических объективов, впервые подобрал Д.Доллонд и долго держал в секрете, сдерживая прогресс в этой области.

Потрясающей четкости изображения и увеличения объекта до 750 раз удавалось добиться с помощью сменных объективов, которые помещали в тубус с плавной регулировкой длины

Дата рождения первого ахроматического микроскопа известна точно — 8 апреля 1784 года. В этот день на заседании Конференции Академии наук было доложено письменное сообщение Ф.Эпинуса «об изобретенном им ахроматическом микроскопе новой конструкции, пригодном для рассматривания объектов в свете, отраженном их поверхностью». Эпинусу не терпится опубликовать свою идею. Ему уже под шестьдесят, и ждать, пока появится информация в «Трудах Академии», некогда. На собственные средства он печатает брошюру с апрельским сообщением академии, полный текст письма к Г.Ашу о микроскопе и небольшую заметку под названием «Перечень главных преимуществ моих новых микроскопов». Такое форсирование событий было оправданно: труды академии вышли только через четыре года, а свою брошюру он представил академии уже в сентябре того же 1784 года.

В Политехническом музее сохранились образцы, которые полтора века назад исследовали на этом микроскопе

В брошюре Эпинус перечисляет основные преимущества своего микроскопа: «Он дает одинаково отчетливое и неискаженное изображение по всему полю зрения от центра до периферии; в нем можно рассматривать объекты какого угодно размера без предварительной обработки, и, главное, объект весьма легко осветить спереди или сбоку любым светом, предпочтительно пользоваться рассеянным дневным светом или светом свечей». К сожалению, указание на различные источники освещения, кажущееся в наше время несущественным и даже вызывающим улыбку (надо же, свечи!), сослужило плохую службу и отсрочило изготовление и использование ахроматического микроскопа на двадцать с лишним лет, аж до 1808 года.

Судьба микроскопа

Конкуренция существовала всегда. Оказалось, что в это же самое время известный английский оптик Георг Адамс (младший) выпустил свой усовершенствованный, но еще не ахроматический, микроскоп с ламповым блоком, который надеялся широко продавать. Поэтому он усмотрел в Эпинусе опасного конкурента и в своей книге, выпущенной в 1787 году, высказался о микроскопе Эпинуса в таком тоне, что сразу подорвал доверие и уничтожил интерес к новому инструменту. Успех микроскопа Адамса был обеспечен на долгие годы, несмотря на то что качество, увеличение и чистота изображения оставляли желать лучшего.

И все же Франц Эпинус руки не опустил, изготовил образец своего микроскопа и занялся его дальнейшим усовершенствованием. Работа, скорее всего, была завершена в 1796—1797 годах. Но возраст брал свое. Ухудшилось здоровье. Много приходилось работать в Коллегии иностранных дел на шифровальном поприще. В 1796 году умирает его душевный друг и покровитель Екатерина II. И хотя новый император Павел I внимателен к своему старому учителю, Франц Эпинус просит об отставке по состоянию здоровья и 31 декабря 1796 года удаляется от дел в чине тайного советника (ранг заместителя министра) с хорошим пожизненным содержанием.

Получалось, что жизнь была отдана государственной службе, науке, преподаванию. Что дальше? Одиночество? Болезни? Своей семьи нет: ни детей, ни внуков. Спасибо, что не оставила в беде давняя подруга, фактически гражданская жена, вдова губернатора Казани Анна фон Брандт (в девичестве фон Круз, 1732—1815), сестра близкого друга, знаменитого адмирала Александра Ивановича фон Круза. Она вывезла Эпинуса из шумного, полного интриг Петербурга в тихий Дерпт, поближе к своему хозяйству в Лифляндской губернии. Здесь он прожил совсем недолго, около трех лет, и 10 августа 1802 года «ко всеобщему прискорбию знавших его» скончался в возрасте 78 лет.

А что стало с микроскопом? Первый экземпляр, сделанный Эпинусом, до нас не дошел. Чертежи и расчеты другой, улучшенной конструкции легли в архив и неизвестно, сколько бы там пролежали, если бы не Георг Фридрих Паррот (1767—1852). На момент смерти Эпинуса он был новоиспеченным ректором вновь открывшегося старейшего Дерптского университета и близким другом императора Александра I. Видимо, к нему частично перешел архив ученого, из которого через три года, то есть в 1805- м, эти расчеты извлекли. Георг Паррот был хорошим ректором и заботился об оснащении лабораторий университета современными приборами. Из Штутгарта, где он сам когда-то учился в академии, пригласили одного из лучших мастеров-оптиков Иоганна Тидемана (1742—1811). По чертежам Эпинуса он изготовил два экземпляра ахроматического микроскопа для университетских нужд. Работа была завершена в 1808 году, о чем свидетельствует гравировка на одной из медных частей штатива. Эта гравировка внесла впоследствии неясность относительно происхождения микроскопа.

Эта гравировка, которую оставил мастер Иоганн Тидеман, изготовивший микроскоп по чертежам Эпинуса, многие годы сбивала с толку исследователей

Приборы получились замечательные. Горизонтальный раздвижной тубус, состоящий из двух вдвигающихся друг в друга труб, укреплен на деревянной подставке. В комплекте к микроскопу прилагается один окуляр и шесть объективов различной оптической силы с числами от 1 до 6. Эти же числа имеются и на верхней стороне тубуса. Изменить увеличение микроскопа от 22 до 750 раз можно, плавно регулируя длину тубуса от 85 до120 см за счет движения внутренней трубы и выбирая подходящий объектив. Кстати, название «телескопический микроскоп» сохранилось за ним благодаря именно этому необычайно длинному (метровому) тубусу и некоторым особенностям его штатива, напоминающим телескоп.

Предметный столик микроскопа Эпинуса стал прототипом подвижного крестообразного столика современного микроскопа, его можно перемещать в двух взаимно перпендикулярных направлениях с помощью длинных деревянных рычагов (в микроскопах второй половины XIX века эти рычаги трансформируются в маленькие винтики, но принцип перемещения объектов остается таким же по сегодняшний день). Держатели для крупных непрозрачных объектов неправильной формы и для плоских стеклянных микроаквариумов — также его авторское изобретение.

Единственный экземпляр

Прошло девятнадцать лет. К этому моменту Г.Паррот стал членом Петербургской академии наук и заведующим физической лабораторией при ней. 14 марта 1827 года он пишет в академию письмо с просьбой приобрести у Дерптского университета один из экземпляров телескопического микроскопа, излагая там, в частности, историю с Д.Адамсом.

«Этот инструмент представляет для Академии двойной интерес: прежде всего вследствие своих разносторонних достоинств. А затем и по той причине, что он был изобретен Эпинусом, некогда одним из уважаемых ее сочленов, хотя и не он осуществил его… Это произошло столь поздно, вероятно, только по той причине, что Адамс высказался неблагоприятно об идее русского академика — и почти в то же самое время, когда по- явился его ламповый микроскоп… Мастер (Тидеман из Штутгарта), который взял на себя изготовление его, умер, и представляется желательным, чтобы единственный экземпляр, который еще можно получить, был приобретен Академией». Просьбу Г.Паррота удовлетворили. Как оказалось, это сохранило микроскопу жизнь, потому что судьба второго экземпляра, оставшегося там, на кафедре физики, весьма печальна. От него сохранились только ручки, тогда как металлические части сняли по распоряжению немецких оккупационных властей во время сбора цветных металлов в Тарту в 1942 году.

На микроскопе до сих пор сохранилась наклейка, свидетельствующая о том, что на нем работали в Физическом кабинете Императорской академии наук

Почти через сто лет, в 30-х годах ХХ века, экземпляр Петербургской академии наук поступил в коллекцию старинных микроскопов выдающегося российского историка науки, доктора биологических наук Самуила Львовича Соболя и числился сначала как микроскоп И.Тидемана. Только в 1948 году в архиве АН СССР было обнаружено письмо академика Г.Паррота от 14 марта 1827 года.

Микроскоп Эпинуса пережил все радости и невзгоды, постигшие коллекцию Соболя. К счастью, с 1968 года он стал подлинным украшением экспозиции «История микроскопа» Политехнического музея в Москве.

Микроскоп Эпинуса занимает особое место и в истории науки. Идея изменять увеличение микроскопа, регулируя длину его тубуса, не получила продолжения в последующих схемах, тем не менее этот уникальный прибор стал родоначальником ахроматических микроскопов, которыми широко пользуются сегодня.

В дальнейшем многие оптики в разных странах пытались независимо друг от друга усовершенствовать первую конструкцию ахроматического микроскопа: уменьшить его длину, вес и сделать удобным в эксплуатации. Попытки предпринимали Г. ван Дейл в 1807 году и И.Фраунгофер в 1811-м, но все их конструкции по качеству изображения уступали микроскопу Эпинуса. Только в 1826 году, то есть спустя тридцать лет, английским оптикам В. Даллею и Д.Листеру удалось создать удобный ахроматический микроскоп вертикального типа. Получилось, что неразумная конкурентная борьба отсрочила на тридцать лет появление открытий в различных областях науки из-за отсутствия высококачественного инструмента для исследований.

Эпинус никогда не пытался воспользоваться этим изобретением для собственного обогащения. Напротив, он широко оповестил научные, особенно медицинские, организации об устройстве микроскопа и его преимуществах. Он жил в соответствии с убеждением, вынесенным в эпиграф этой статьи, который не грех и повторить: «На мой взгляд, всякое полезное изобретение представляет собой сокровище, принадлежащее всему человечеству, а не его изобретателю, который был бы не прав, претендуя на исключительное право владения им».

Литература

В.К.Новик. Академик Франц Эпинус (1724—1802): краткая биографическая хроника. «Вопросы истории естествознания и техники», 1999, № 4.

С.Л.Соболь. История микроскопа и микроскопических исследований в России в XVIII веке. Изд-во АН СССР, 1949.

Ф.У.Т.Эпинус. Теория электричества и магнетизма. Ред. и примеч. профессора Я.Г.Дорфмана. М.: Изд-во АН СССР, 1951.

М.А. Коржуев, В.В. Темяков. О вкладе академика Ф. Эпинуса (1724—1802) в учение о термоэлектричестве. В сб.: Термоэлектрики и их применения. Под ред. М.И. Федорова, Л.Н.Лукьяновой. СПб.: ПИЯФ, 2012. C.208-214.